CN109613511A - 一种存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法，具体过程为：步骤一：建立地面运动目标回波信号模型，并对其进行脉压处理和快时间维傅里叶变换，得到目标回波包络；步骤二：利用分段楔石变换对目标回波包络走动统一校正；步骤三：构造补偿函数对包络走动校正后的距离频域‑方位时域信号进行相位补偿，在对补偿后得到的结果的快时间维做逆傅里叶变换；步骤四：对步骤三处理得到的信号进行简化，再沿方位向采用频域吕变换处理，得到目标真实的模糊数和目标加速度；根据所述目标加速度估计目标的径向速度。该方法采用分段楔石变换和频域吕氏变换，均利用了分段处理技术，因此能够同时在多个处理器上并行处理，计算量和存储量可以大幅降低。

Description

一种存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法

技术领域

本发明涉及一种存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法，属于微波雷达测量技术领域。

背景技术

对于SAR-GMTI(Synthetic Aperture Radar-Ground Moving TargetIndication)系统而言，在长观测时间内，机动目标回波信号的跨距离单元徙动、方位频谱展宽以及速度模糊等问题就会出现。若采用传统SAR成像算法，这些问题会使得动目标在图像中出现虚影或散焦。在1999年的《IEEE Transactions on Aerospace and ElectronicSystems》的第35卷第1期第188页至200页，Perry R P等人发表的“SAR imaging of movingtargets”一文中提出利用一阶楔石变换对距离徙动进行校正，然而对存在多普勒模糊的目标不能完全校正距离徙动。在2011年的《IET Radar,Sonar&Navigation》的第5卷第9期994页至1001页，Yang J G等人发表的“Low-frequency ultra-wideband synthetic apertureradar ground moving target imaging”一文中提出利用一阶楔石变换校正距离走动，二阶楔石变换校正距离弯曲，然而对存在多普勒模糊的目标不能完全校正距离走动。在2010年的《IEEE Transactions on Image Processing》的第19卷第1期141页至153页,Lv X L等人发表的“ISAR imaging of maneuvering targets based on the range centroidDoppler technique”一文中提出了一种基于拉伸楔石维格纳变换的参数估计算法，该算法可以同时解决距离徙动、多普勒频率扩散和多普勒模糊的问题，但是计算复杂度较高，积累性能差。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法。

本发明所提方法具体实现步骤如下：

一种存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法，具体过程为：

步骤一：建立地面运动目标回波信号模型，并对其进行脉压处理和快时间维傅里叶变换，得到目标回波包络；

步骤二：利用分段楔石变换对目标回波包络走动统一校正；

步骤三：构造补偿函数对包络走动校正后的距离频域-方位时域信号进行相位补偿，在对补偿后得到的结果的快时间维做逆傅里叶变换；

步骤四：对步骤三处理得到的信号进行简化，再沿方位向采用频域吕变换处理，得到目标真实的模糊数和目标加速度；根据所述目标加速度估计目标的径向速度v_c。

进一步地，本发明所述步骤二的具体过程为：

首先，对目标回波包络沿方位向进行分段，即将方位向处理时间分为多段；其次，针对每一段作楔石变换；再次，对楔石变换后的每一段信号的快时间维做逆傅里叶变换，实现目标回波包络走动进行统一校正。

进一步地，本发明所构造的补偿函数为：

其中，k_{a_out}为搜索的模糊数，v_amb为盲速，seg＝1,2,...P，NT为方位向处理时间，P为目标回波包络所分的段数，N为相参积累时间内发射的脉冲数，T为脉冲重复周期，c为光速，f为距离频域。

进一步地，本发明所述对步骤三处理得到的信号进行简化，包括：针对每一段信号，忽略段内频率的变化对信号进行简化。

进一步地，本发明所述步骤四中根据所述目标加速度估计目标径向速度的过程为：构造

其中，是的细化估计值，

k_{amb_in}＝[2Nk_{amb_out}/P+2A-1，2Nk_{amb_out}/P+2A+1]，

相应的速度搜索范围为

利用v_search构造补偿相位

利用补偿相位H_com(t,f)对步骤一中得到的目标包络进行补偿；

根据补偿后的结果计算得到目标的径向速度v_c。

有益效果

(1)该方法采用分段楔石变换和频域吕氏变换，均利用了分段处理技术，因此能够同时在多个处理器上并行处理，计算量和存储量可以大幅降低。

(2)对于存在速度模糊的地面运动目标，该方法无需预知目标的先验信息，仅需对速度模糊数进行一维搜索，就可获得高精度的多目标参数估计结果。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为运动目标成像几何关系图。

具体实施方式

本发明提出了一种存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法，下面结合附图并列举实施例，对本发明进行详细描述。

本实例中，雷达系统仿真参数如下:载频f_c＝10GHz，脉宽T_p＝20μs，带宽B＝8MHz，采样频率f_s＝20MHz，脉冲重复频率PRF＝2000Hz，相参积累脉冲数N＝4096，分段数P＝256。雷达和目标间的等效相对径向速度和径向加速度分别为v_c＝40m/s，a_c＝0.92m/s²。

如图1所示，本实施例的步骤如下：

步骤一：建立地面运动目标回波信号模型，并对其进行脉压处理，具体方法如下：

设雷达观测区内存在一匀速运动目标，图2所示为运动目标与雷达间的相对位置关系，其中V表示雷达平台的速度，v_a和v_c分别表示地面任意运动点目标A的沿航向速度和径向速度，R_B为雷达平台到该目标的最短距离，t表示方位慢时间，则雷达到运动目标A的瞬时斜距R(t)的表达式为

雷达发射线性调频信号为

其中T_p为脉冲宽度，f_c为载波频率，γ为调频斜率，τ为快时间，即距离时间，t为慢时间，且t＝nT,(n＝0,1,....N-1)，N为相参积累时间内发射的脉冲数，T为脉冲重复周期。

脉压后的基带回波信号为

其中，σ为目标的反射系数，G为距离压缩增益，w(t)为方位窗函数，B为线性调频带宽，c为光速，λ＝f_c/c为波长，sinc(x)＝sin(x)/x。

将R(t)带入s(t,τ)可得

对s(t,τ)的快时间维做傅里叶变换可得

其中，f为距离频域。

步骤二：利用分段楔石变换对目标回波包络走动进行统一校正，具体方法如下：

运动目标的速度可以表示为

v_c＝k_{amb_out}v_amb+v₀ (6)

其中，v_amb为盲速，且满足v_amb＝PRFλ/2，k_{amb_out}为目标真实的模糊数，v₀∈[-v_amb/2,v_amb/2]。

对S(t,f)沿方位向进行分段，即将方位向处理时间NT分为P段，然后将楔石变换表达式带入第seg(seg＝1,2,...P)段数据可得

其中

对的快时间维做逆傅里叶变换可得

步骤三：对速度模糊数进行一维搜索来估计模糊数，具体方法如下：

首先构造补偿函数

k_{a_out}表示搜索模糊数。

对包络走动校正后的距离频域-方位时域信号进行相位补偿可得

对的快时间维做逆傅里叶变换可得

步骤四：对步骤三处理得到的信号进行简化，再沿方位向采用频域吕变换处理，得到目标真实的模糊数和目标加速度；根据所述目标加速度估计目标的径向速度v_c。具体方法如下：

对于某一距离单元内的回波信号可视为多分量LFM信号，进而多目标的信号分离问题转化为多分量LFM信号的参数提取问题。

为便于分析，将简记为

其中

定义t_q＝qT为段内时间，q＝0,1,...N/P为段内采样点数，t_p＝(p-1)NT/P为段间时间，p＝P......2P-1，则因为段内的变化远小于一个频率分辨单元，因此可以忽略段内频率的变化，进一步变为

其中

对的t_q维采用DFT运算进行多普勒滤波以实现段内相干，则多普勒滤波后的积累谱可表示为

从上式可以看出，各段频谱包络的峰值位置随t_p的变化而发生变化，重写为

其中t'_q＝t_q＝[1,2…N/P]T，t_p＝[0,1…P-1]NT/P。

令(t'_q+NT)t_p＝NTt'_p，并将该表达式带入上式可得

由于t′_q＜＜NT，上式可以进一步简化为

对t′_p求FFT可得

不同的目标对应k_{a_out}的范围是确定的，在所确定的范围内遍历每一k_{a_out}的取值。

然后对上式沿方位向采用频域吕变换处理，目标真实的模糊数k_{a_out}可通过下式估计得到

从上式可以看出，当k_{a_out}＝k_{amb_out}时，频域吕变换处理后可以得到精确目标参数估计值

其中，是a₁的粗略估计值，且 是的细化估计值。

吕变换所能估计的参数范围为[k_{amb_out}/T-P/(4NT),k_{amb_out}/T+P/(4NT)]，但是频率a₁+a₂NT有可能位于[k_{amb_out}/T+P/(4NT),k_{amb_out}/T+1/(2T)]或者[k_{amb_out}/T-1/(2T),k_{amb_out}/T-P/(4NT)]范围内。根据估计得到的和可以求出的粗略估计值为：

然后在范围内构造k_{amb_in}∈[2Nk_{amb_out}/P+2A-1，2Nk_{amb_out}/P+2A+1]，其相应的速度搜索范围为

但是为了保证在实际处理中获得正确的参数估计结果，k_{amb_in}的取值范围一般为k_{amb_in}∈[2Nk_{amb_out}/P+2(A-1)-1，2Nk_{amb_out}/P+2(A+1)+1]取值范围

利用v_search构造补偿相位对S(t,f)进行补偿可得

进而v_c可通过下式计算得到

通过以上步骤，可以计算出目标相对雷达平台的径向速度和径向加速度估计值分别为39.9991m/s和0.9232m/s²。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法，其特征在于，具体过程为：

步骤一：建立地面运动目标回波信号模型，并对其进行脉压处理和快时间维傅里叶变换，得到目标回波包络；

步骤二：利用分段楔石变换对目标回波包络走动统一校正；

步骤三：构造补偿函数对包络走动校正后的距离频域-方位时域信号进行相位补偿，在对补偿后得到的结果的快时间维做逆傅里叶变换；

步骤四：对步骤三处理得到的信号进行简化，再沿方位向采用频域吕变换处理，得到目标真实的模糊数和目标加速度根据所述目标加速度估计目标的径向速度v_c。

2.根据权利要求1所述存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：

首先，对目标回波包络沿方位向进行分段，即将方位向处理时间分为多段；其次，针对每一段作楔石变换；再次，对楔石变换后的每一段信号的快时间维做逆傅里叶变换，实现目标回波包络走动进行统一校正。

3.根据权利要求1所述存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法，其特征在于，所构造的补偿函数为：

其中，k_{a_out}为搜索的模糊数，v_amb为盲速，seg＝1,2,...P，NT为方位向处理时间，P为目标回波包络所分的段数，N为相参积累时间内发射的脉冲数，T为脉冲重复周期，c为光速，f为距离频域。

4.根据权利要求3所述存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法，其特征在于，所述对步骤三处理得到的信号进行简化，包括：针对每一段信号，忽略段内频率的变化对信号进行简化。

5.根据权利要求4所述存在速度模糊的地面运动目标参数估计方法，其特征在于，所述步骤四中根据所述目标加速度估计目标径向速度的过程为：构造

其中，是的细化估计值，

k_{amb_in}＝[2Nk_{amb_out}/P+2A-1，2Nk_{amb_out}/P+2A+1]，

相应的速度搜索范围为

利用v_search构造补偿相位

利用补偿相位H_com(t,f)对步骤一中得到的目标包络进行补偿；

根据补偿后的结果计算得到目标的径向速度v_c。